2.7
Równanie szybkości i kolejność reakcji
Na szybkość reakcji wpływa stężenie reagentów. Prawa szybkości (prawa szybkości różnicowej) lub równania szybkości to wyrażenia matematyczne opisujące…
Dla każdej reakcji zależność między szybkością reakcji a stężeniami reagentów można wyrazić matematycznie za pomocą prawa szybkości lub równania szybkości.
W prawie szybkości "k" jest stałą proporcjonalności lub stałą szybkości, a "n" jest kolejnością reakcji w odniesieniu do pojedynczego reagenta, którego wartość jest często liczbą całkowitą. W prawach szybkości dla reakcji wieloreagentowych ogólna kolejność reakcji jest sumą wszystkich rzędów reagentów.
Dla każdego reagenta szybkość reakcji, stała szybkości, stężenie i kolejność reakcji są określane eksperymentalnie.
Poszczególne rzędy reagentów zwykle przyjmują wartości 0, 1 lub 2, a na podstawie ogólnej kolejności reakcji reakcje chemiczne można sklasyfikować jako reakcje zerowego rzędu, pierwszego lub drugiego rzędu.
Reakcja chemiczna z pojedynczym reagentem lub jednocząsteczkowa, dla której szybkość reakcji pozostaje stała przez cały czas jej trwania, jest reakcją zerowego rzędu. Kolejność reagentów w reakcji zerowego rzędu wynosi zero, a stężenie reagenta jest podnoszone do potęgi zerowej.
Ponieważ wartość dowolnej liczby podniesiona do potęgi zerowej wynosi jeden, szybkość reakcji reakcji zerowego rzędu jest równa stałej szybkości, a zatem niezależna od stężenia reagenta.
Jednocząsteczkowa reakcja chemiczna, w której szybkość reakcji jest wprost proporcjonalna do stężenia reagenta, jest reakcją pierwszego rzędu. Kolejność reagentów dla reakcji pierwszego rzędu wynosi jeden, a zgodnie z prawem szybkości stężenie reagenta jest podnoszone do pierwszej potęgi.
Ponieważ wartość dowolnej liczby podniesionej do potęgi jednego pozostaje taka sama, szybkość reakcji pierwszego rzędu zależy bezpośrednio od stężenia reagenta. Wraz ze spadkiem stężenia reagenta szybkość reakcji zmniejsza się proporcjonalnie w sposób liniowy.
Jednocząsteczkowa reakcja chemiczna, w której szybkość reakcji zależy od kwadratu stężenia reagenta, jest reakcją drugiego rzędu. Wraz ze spadkiem stężenia reagenta szybkość reakcji maleje wykładniczo w sposób kwadratowy.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is a rate law and how does it relate to reaction rate?
A rate law is a mathematical expression describing the relationship between reaction rate and reactant concentrations. It takes the form rate = k[A]m[B]n, where k is the rate constant, and m and n are reaction orders determined experimentally. The rate constant is specific to a particular reaction at a specific temperature and is independent of reactant concentrations.
Q2: How is reaction order determined experimentally?
Reaction order is determined through the method of initial rates, which involves measuring reaction rates for multiple trials using different initial reactant concentrations. By comparing measured rates across trials, chemists determine individual reaction orders for each reactant and calculate the rate constant. Rate laws are determined by experiment only and cannot be reliably predicted by reaction stoichiometry.
Q3: What is the difference between zero-order and first-order reactions?
In a zero-order reaction, the reaction rate remains constant throughout and is independent of reactant concentration because the concentration is raised to the zeroth power. In a first-order reaction, the reaction rate is directly proportional to reactant concentration. As reactant concentration decreases, the first-order reaction rate decreases proportionally in a linear manner.
Q4: How does reactant concentration affect second-order reaction rates?
In a second-order reaction, the reaction rate depends on the square of the reactant's concentration. As the reactant concentration decreases, the reaction rate decreases exponentially in a quadratic manner, not linearly. This exponential relationship distinguishes second-order reactions from first-order reactions.
Q5: What is the overall reaction order and how is it calculated?
The overall reaction order is the sum of individual reaction orders for all reactants in a rate law. For example, in the rate law rate = k[A]1[B]2, the reaction is first order in A and second order in B, making it third order overall (1 + 2 = 3). Overall reaction order determines how the combined concentrations affect the total reaction rate.
Q6: Can reaction orders be fractional or negative values?
Yes, reaction orders can be fractional, negative, or zero, though positive integers are most common. Fractional orders occur in complex reactions, while negative reaction orders are sometimes observed when an increase in one reactant's concentration causes a decrease in reaction rate. These unusual orders are determined experimentally and reflect the actual mathematical dependence of rate on concentration.
Q7: Why does the rate constant vary with temperature?
The rate constant k is independent of reactant concentrations but varies with temperature because higher temperatures provide more molecular energy. This temperature dependence is described by the Arrhenius equation and relates to bond dissociation energy and activation energy. Understanding the effect of temperature change on reaction rate is essential for predicting reaction behavior under different conditions.